摘要：我国电力系统配电网目前主要采用人工带电作业方式进行系统的抢修及日常维护，带电作业机器人的研发与应用迫在眉睫。本文介绍了一种新型的带电作业机器人操作控制方法：基于六轴惯导系统的带电作业机器人操控系统。通过配置双目立体摄像机，机器人获取精准环境目标信息，通过系统配置的六轴惯导系统，实时获取操作员手部的位姿信息，控制器通过对这些位姿信息的解算，映射为机器臂的末端操作轨迹信息，通过遥操作方式，操作云台上的机器臂完成带电作业任务。实际环境测试取得理想效果，具有广泛推广价值。

关键词：六轴惯导；操作控制；带电作业机器人；电力配电网

Abstract: The manual hot-line work is often adopted by the power distribution network in China currently for the emergency repair and routine maintenance Therefore, it has become urgent to develop robots for automatic hot-line work to replace manual operation. Based on the introduction of hot-line work robots, a new type of remote control system and algorithms are designed and analyzed in this paper. Generally, the robot arm on the operating platform can be remotely controlled to complete the task of hot-line work. In specific, the robot can obtain precise environmental target information by using binocular stereo camera. Through the six axes IMU devices, the position and pose information of the operator's hands can be acquired in real time. In the end, the trajectory information of the robot arm can be obtained by analyzing the above information. The presented remote control system deserves an extensive promotion after the site test in electrical power system.

Key words: Six axes IMU; Remote control system; Hot-line work robot; Power distribution system

1　前言

目前，我国10kV配电网需要频繁带电作业操作。当前带电作业要求操作人员攀爬10kV电线杆或借助绝缘斗臂车进行作业，需要操作人员在高空、高压、强电磁场等极端危险环境下进行接线、解线等手工操作，劳动强度大，精神高度紧张，不仅给带电作业人员带来人身危险，而且完成作业效率低下。

机器人技术自20世纪六十年代开始，经过多年的发展，已经取得巨大进步，得到了广泛应用。操作机器人从第一代的示教/在线方式，到第二代环境感知模式，到目前的智能机器人，可以在更多领域替代人类完成各种危险复杂任务。配电网带电作业任务复杂，操作环境危险复杂，是典型应用机器人替代人类的操作环境。由于配电网带电作业的特殊性，要想应用机器人完成任务，需要对机器人系统进行全新设计才能更好地满足配电作业特殊需求。

2　国内外研究现状

国际上从事带电作业机器人的研究起步较早，日本作为机器人产业强国之一，在20世纪80年代就开始了相关技术的研究^[1]。美国、法国、加拿大、乌克兰、韩国等国家，也都进行过带电作业机器人的研究，但大多还停留在研究和实验阶段，没有像日本的机器人那样投入实际使用。国内对配电网带电作业机器人的研究近 几年来已取得多项研究成果^[2]，但是目前主要采用由国外引进主体结构，自主改进的方式，一直没有真正实现自主发明。

目前国内外带电作业机器人主要采用两种模式：一是操作员随绝缘斗在空中直接在电缆旁操作机器臂完成带电作业；二是操作员在地面，机器臂随高空云台升入作业现场，操作员通过监视器观察高空现场情况，操控机器臂进行带电作业。由于第一种模式操作员仍然需要在空中电缆旁进行操作，存在触电风险；目前的带电机器人研发主要集中在第二种模式，即操作员在地面对空中的机器臂进行遥操作的方式。对于这种模式，目前主要存在的问题是由于多自由度机器臂的灵活性不足和多自由度遥控复杂度高导致的人类操作员遥控机器臂操作效率低下，可靠性差，任务完成精准度低。

针对带电作业机器人的遥操作问题，本文设计了一种新的遥操作模式，以及配套的机器臂控制系统，可以有效提升遥操作的易用性和准确性。

3　基于六轴惯导的带电作业机器人遥操作

目前研制的带电作业机器人主要采用双机器臂结构，每个机器臂配置6~7自由度，以保证足够的灵活性，通过模拟人类操作员的胳膊来完成带电作业任务。由于双自由度共12~14自由度，传统的遥控方式为操作员的遥操作带来了巨大的挑战。无论是针对单自由度依次控制，还是针对多自由度进行并行控制，实际测试表明遥操作的效率和准确度都不理想。针对这个问题，国内外很多研究都期望设计新的遥操作方法，来提升遥控效率，降低对人类操作员的要求^[3]。最有特色的研究是：采用运动跟踪的方式，利用立体相机直接跟踪人类操作员的双臂动作，并进行空间坐标结算，然后驱动机器臂追踪操作员双臂，完成带电作业任务。但是在实际测试中，发现存在控制问题。由于机器臂的自由度空间分布和灵活性相比人类臂膀有很大差距，导致很多人类操作员简单的双臂移动，会带来机器臂操作空间运动的紊乱，以及自由度闭锁等问题，导致机器臂无法准确追踪人类双臂的运动轨迹。针对机器臂遥操作效率低、误操作风险大的问题，结合机器臂轨迹控制存在的风险，我们设计了一种新型带电作业机器人遥操作系统：基于六轴惯导的带电作业机器人遥操作控制系统。系统主要包括操作员手持惯导设备和机器臂控制器两个部分。下面详细介绍系统结构和功能。

3.1　基于惯导的带电作业机器人控制系统结构

基于惯性导航的带电作业机器人控制系统主要包括三个部分：空间机器臂、手持惯导设备及机器臂控制器。
带电作业操作使用轻型双机器臂作为执行机构。手持惯导设备包含三轴陀螺仪及三轴加速度计，主要负责采集操作员手部动作。机器臂控制器通过无线网络接收手持惯导设备发送的六轴惯导数据，自动计算机器臂各关节自由度的运转轨迹，并控制机器臂末端最终手持惯导设备轨迹。系统的结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

3.2　基于惯导的带电作业机器人遥操作工作模式

本系统的工作模式，就是机器臂和环境感知部被云台直接推送到作业高空，人类操作员在地面通过视觉引导的方式，操作机器臂完成作业任务。遥操作系统发挥着至关重要的作用。首先云台上的双目立体摄像机会实施传输前端图像到地面，操作员通过监视器观察到环境中的所有目标信息；然后操作员手持惯导设备，进行空间移动；机器臂遥操作控制器根据采集的操作员手部末端的空间位姿信息，结合机器臂的自由度分布和几何参数，自动规划各自由度的运行轨迹，并驱动机器臂运动，保证机器人末端操作工具到达操作员期望的空间位置，并驱动机器人末端搭载的操作工具执行作业任务。详细流程如图2、图3所示。

图2 遥操作系统控制流程

图3 手持惯导设备工作流程

4　结语

遥操作系统是带电作业机器人的核心，只有通过简捷高效而准确的遥操作方式，操作员才能遥控机器臂完成带电作业任务。本文介绍的新型带电作业机器人遥操作系统，就是采用六轴惯性导航技术，采集操作员的手部位姿信息，为结合机器臂空间轨迹规划算法，高效完成遥操作任务。通过现场演示，实际效果达到设计目标，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] Sawada J, Kusumoto K, Maikawa Y, et al. A Mobile Robot for Inspection of Power Transmission Lines[J]. IEEE Trans on Power Delibery, 1991, 6 ( 1 ) : 309 - 315.

[2] Nakashima M, Yano K, Maruyama Y, et al. The Hot Line Work Robot Sytem “Phase II” and Its Human-robot Interface “Mos”[J]. Proc of the IEEE/RSJ Inter Conf on Intelligent Robots and Systems, 1995,( 2 ) : 116 - 123.

[3] 戚晖. 高压带电作业机器人及其跟踪装配系统的研究[D]. 天津：天津大学，2003.

作者简介：

尹春丽（1971-），女，辽宁沈阳人，高级工程师，现就职于国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司，主要研究领域为电力系统及其自动化。

刘　波（1983-），男，江苏徐州人，工程师，学士，现就职于国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司，主要研究领域为城市配电。

李　颖（1974-），男，安徽宿州人，高级工程师，现就职于国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司，主要研究领域为电力系统及其自动化。

王　丹（1988-），女，江苏徐州人，工程师，现就职于国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司，主要研究领域为城区配电。

摘自《自动化博览》2019年6月刊